Evolution de l'agressivité des champignons phytopathogènes, couplage des approches théorique et empirique

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Présentée pour l’obtention du titre de

Docteur de l’Université Nancy I - Henri Poincaré

Discipline : Biologie végétale et Forestière

Ecole doctorale : Ressources Procédés Produits Environnement

Département de Formation Doctoral : Sciences Agronomiques et Forestières, Biologie et Ecologie, Biotechnologie

par

Audrey ANDANSON

Déposée le 7 Juillet 2010

Evolution de l’agressivité des champignons

phytopathogènes, couplage des approches théorique

et empirique

JURY

Marie-Laure Desprez-Loustau Directrice de recherche INRA, Bordeaux Rapporteur

Sylvain Gandon Chargé de recherche CNRS, Montpellier Rapporteur

Christian Lannou Directeur de recherche INRA, Grignon Examinateur

Olivier Restif Chercheur à la Royal Society University Examinateur

Eric Gelhaye Professeur, Université Henri Poincaré, Nancy I Examinateur

Samuel Alizon Chargé de recherche CNRS, Montpellier Membre invité

Benoît Marçais Chargé de recherche INRA, Nancy Directeur de thèse

Doctorat encadré par :

Fabien Halkett, UMR 1136 INRA/UHP Interactions Arbres-Microorganismes, Ecologie des champignons pathogènes forestiers, Centre INRA de Nancy, Champenoux

et

Virginie Ravigné, UMR BGPI CIRAD/INRA/ENSAM Biologie et Génétique des Interactions Plante-Parasite, Biologie Evolutive des Champignons Phytopathogènes, Campus international

THESE

Présentée pour l’obtention du titre de

Docteur de l’Université Nancy I - Henri Poincaré

Discipline : Biologie végétale et Forestière

Ecole doctorale : Ressources Procédés Produits Environnement

Département de Formation Doctoral : Sciences Agronomiques et Forestières, Biologie et Ecologie, Biotechnologie

par

Audrey ANDANSON

Déposée le 7 Juillet 2010

Evolution de l’agressivité des champignons

phytopathogènes, couplage des approches théorique

et empirique

JURY

Marie-Laure Desprez-Loustau Directrice de recherche INRA, Bordeaux Rapporteur

Sylvain Gandon Chargé de recherche CNRS, Montpellier Rapporteur

Christian Lannou Directeur de recherche INRA, Grignon Examinateur

Olivier Restif Chercheur à la Royal Society University Examinateur

Eric Gelhaye Professeur, Université Henri Poincaré, Nancy I Examinateur

Samuel Alizon Chargé de recherche CNRS, Montpellier Membre invité

Benoît Marçais Chargé de recherche INRA, Nancy Directeur de thèse

Doctorat encadré par :

Fabien Halkett, UMR 1136 INRA/UHP Interactions Arbres-Microorganismes, Ecologie des champignons pathogènes forestiers, Centre INRA de Nancy, Champenoux

et

Virginie Ravigné, UMR BGPI CIRAD/INRA/ENSAM Biologie et Génétique des Interactions Plante-Parasite, Biologie Evolutive des Champignons Phytopathogènes, Campus international

« Au bout de tout savoir et de tout accroissement de notre savoir, il n'y a pas un point final, mais un point d'interrogation. »

Remerciements

Je souhaite remercier ici tous ceux qui ont participé de près ou de loin à l’élaboration de cette thèse.

Je tiens tout d’abord à remercier mes deux encadrants, Virginie Ravigné et Fabien Halkett pour les nombreux et très enrichissants échanges que nous avons pu avoir au cours de ces trois années. Je remercie en particulier Virginie pour ses grandes qualités à dompter les équations et les logiciels mathématiques !

Je tiens également à remercier Francis Martin, Benoit Marçais, Jean-Loup Notteghem, Jean Carlier ainsi que tous les membres des UMRs IAM et BGPI pour leur accueil et leur grande sympathie.

Je souhaite remercier vivement Elisabeth Fournier et Didier Tharreau d’avoir accepté de m’encadrer dans la réalisation des expériences sur Magnaporthe oryzae.

J’ai découvert et réalisé toutes ces manipulations en laboratoire (allant de la mycologie à la biologie moléculaire) avec un immense plaisir. Je souhaite également remercier toutes les autres personnes qui m’ont guidées, conseillées, et aidées au laboratoire et ont contribuées par leur humour et leur bonne humeur à ce que j’adopte « la blouse » avec le plus grand plaisir : Joëlle Milazzo, Marie-Françoise Zapater, Henri Adreit, Christophe Tertois, Corinne Michel, Véronique Chalvon, Stelly Mississipi, Mélanie Marguerettaz, Dounia Saleh,

Amandine Delteil, Juliette Doumayrou pour sa patience et ses très nombreux conseils sur la qPCR et tous les autres.

Je remercie Ludovic Mailleret et Frédéric Grognard pour leur aide précieuse sur les méthodes d’optimisation dynamique et les discussions très intéressantes que nous avons eues sur la modélisation des stratégies de vie des champignons pathogènes.

Je remercie également les membres de mon comité de thèse, qui ont suivi l’élaboration de ce travail et ont été de très bon conseils : Jean Carlier, Alain Franc, Christian Lannou, Manuel Plantegenest.

Je voudrais remercier tout particulièrement Marie-Laure Desprez-Loustau et Sylvain Gandon d’avoir accepté d’être rapporteurs de ce travail, ainsi que toutes les personnes qui ont accepté de constituer mon jury de thèse : Samuel Alizon, Eric Gelhaye, Christian Lannou et Olivier Restif.

J’adresse de nombreuses pensées chaleureuses à tous les doctorants que j’ai eu beaucoup de plaisir à côtoyer pendant ces trois années et qui m’ont aidés par leurs conseils, leur soutient et leur inébranlable bonne humeur : Constance Xhaard, Fabrice Elegbede, Stéphanie Robert, Dounia Saleh, Mélanie Marguerrettaz, Pierre-Olivier Duroy, Juliette Doumayrou…

Table des Matières

Remerciements ... 3

Table des Matières ... 4

1 Introduction... 5

1.1 Evolution de l’agressivité des champignons phytopathogènes ... 5

1.2 Liens entre l’agressivité des champignons phytopathogènes et la virulence des ... pathogènes producteurs de spores ... 7

1.3 Evolution de la virulence... 10

1.4 Marier l’expérience à la théorie ... 15

1.5 Projet de thèse ... 17

2. La virulence comme résultat d’une stratégie d’infection complexe : ... approche théorique... 20

2.1 Introduction ... 20

2.2 Un modèle pour des pathogènes qui ne peuvent utiliser qu’une quantité finie des ... ressources de l’hôte ... 25

2.3 Un modèle pour des pathogènes qui peuvent potentiellement utiliser une quantité infinie des ressources de l’hôte... 69

2.4 Conclusion... 73

3. Confrontation des modèles mathématiques à la réalité biologique... 76

3.1 Objectifs et démarche empirique... 76

3.2 Etude expérimentale de la stratégie d’allocation des ressources entre la croissance et la sporulation chez un pathogène capable d’exploiter une quantité finie des ressources de . l’hôte... 77

4. Conclusion générale... 95

5 Références bibliographiques... 102

6. Annexes... 110

6.1 Développements mathématiques du « modèle 2 » (cf. §2.3) ... 110

6.2 Protocoles expérimentaux de « l’expérience nécrotrophe »... 115

1.1 Evolution de l’agressivité des champignons phytopathogènes………...5

1.2 Liens entre l’agressivité des champignons phytopathogènes et la virulence des pathogènes producteurs de spores………..…..7

1.2.1 Agressivité et virulence………...7

1.2.2 Des champignons phytopathogènes aux pathogènes producteurs de spores…...8

1.3 Evolution de la virulence………10

1.3.1 Petit historique des recherches sur l’évolution de la virulence………10

1.3.2 La théorie du compromis et ses multiples développements……….……11

1.3.3 Evolution de l’histoire de vie des pathogènes………..13

1.4 Marier l’expérience et la théorie……….15

1.5 Projet de thèse……….17

1.5.1 Objectifs et démarche………...17

Encadré 1 La Relation gène pour gène :

Le concept de la relation « gène pour gène » a été formalisé pour la première fois par Harold Henry Flor en 1946 et démontré par le même auteur sur la base de travaux de génétique réalisés sur les relations entre le lin et le champignon Melampsora lini, agent de la rouille du lin.

Ce concept, illustré par la Figure 1, postule qu’à chaque gène de résistance de l’hôte, correspond un gène de virulence du pathogène. Lorsqu’il y a interaction entre le produit d’un gène de résistance R de la plante et le produit d’un gène d’avirulence AVR du pathogène, la résistance de l’hôte se met en place. Elle empêche l’infection par le pathogène : la relation est alors dite incompatible et la plante résistante. Dans toutes les situations où, à un allèle AVR de l’agent pathogène ne correspond pas un allèle R de la plante, l’induction des mécanismes de défense de la plante est rétardée, incomplète ou insuffisante. L’agent pathogène envahit alors la plante : la relation est dite compatible et la plante sensible. Un modèle « éliciteur/récepteur » a été proposé pour expliquer cette interaction. La formation du complexe des produits R-AVR induit un signal qui permet d’initier rapidement une cascade de signaux déclenchant les systèmes de défense de la plante tels que la production de substances nocives à l’agent pathogène (phytoalexines, enzymes lytiques telles que des chitinases ou glutanases) ou enrayant sa propagation (lignine, callose, etc…) (Lepoivre 2003).

Figure 1. Interaction entre agent pathogène et plante-hôte dans le cadre de la résistance gène pour gène (Lepoivre 2003).

1 Introduction

1.1 Evolution de l’agressivité des champignons phytopathogènes

Le maintien d’une forte production agricole nécessite de savoir lutter efficacement contre les bio-agresseurs des cultures. Les champignons phytopathogènes sont, grâce à certaines caractéristiques de leur histoire de vie (comme l’asexualité partielle ou la multiplicité des cycles infectieux dans une saison épidémique), des organismes capables de s’adapter très rapidement à des modifications de leur environnement (McDonald et Linde 2002), ce qui conduit à la diminution et à la perte de l’efficacité des moyens de lutte. Les méthodes de lutte classiques contre ces pathogènes sont l’utilisation régulière et en quantité importante d’intrants. Ces méthodes sont coûteuses pour l’agriculteur et présentent des impacts négatifs importants sur les écosystèmes. Pour exemple, les pesticides utilisés pour la production céréalière en Ile de France représentent 33% des coûts de production (ONIGC,

http://www.onigc.fr/). De plus, même si les traitements pesticides offrent globalement une protection efficace contre les maladies fongiques des cultures, leur efficacité est relativement peu durable à cause de l’adaptation rapide de ces populations pathogènes. Mycosphaerella

graminicola, l’agent de la septoriose du blé, qui demeure une des principales contraintes dans

la culture du blé, a par exemple développé des résistances à la plupart des pesticides récents (Leroux et al. 2007). En conséquence, on assiste à la multiplication du nombre d’applications et des types traitements utilisés dans de nombreux systèmes agricoles (par exemple de Lapeyre de Bellaire et al. 2009).

Une alternative plus durable et plus respectueuse de l’environnement à l’utilisation massive et systématique d’intrants est de tirer parti des résistances variétales pour lutter contre les bio-agresseurs des cultures. Depuis une cinquantaine d’années, on a assisté au déploiement massif de variétés présentant une résistance complète (ou qualitative) à un agent pathogène donné. Ce type de résistance variétale repose sur un déterminisme monogénique, qui conditionne la compatibilité de l’interaction entre l’hôte et le pathogène selon une relation gène pour gène (Flor 1971) (Encadré 1 et Figure 1). Même s’il existe des exceptions, la plupart des résistances complètes des variétés ont été plus ou moins rapidement contournées par les populations pathogènes (Samborski et al. 1985). Un exemple marquant est l’épidémie de rouille du peuplier (Figures 2 et 3) qui a eu lieu en France entre 1995 et 1999 et qui a causé une diminution de la production sans précédent (Barrès et al. 2008). Avant 1995, le cultivar

Figure 2. Plantation de peupliers (cultivar Beaupré) sévèrement infectée par Melampsora sp., à Aoste en Isère. Photo : Pascal Frey.

Figure 3. Urédies de Melampsora larici-populina sur la face inférieure d’une feuille de peuplier. Photo : Pascal Frey.

nommé Beaupré, présentant une résistance complète (gène de résistance R7) à Melampsora

larici-populina, l’agent de la rouille du peuplier, était très apprécié des populiculteurs du fait

de ses qualités exceptionnelles de croissance et de qualité du bois, et donc très largement répandu sur le territoire. La présence de vastes plantations monoclonales de ce cultivar sur de grandes échelles spatiales a constitué une forte pression de sélection, a l’origine du contournement de la résistance complète par les populations pathogènes et a permis la propagation rapide de l’épidémie. Les programmes d’amélioration du peuplier visaient l’augmentation de la productivité, de la qualité du bois et la résistance complète à M.

larici-populina, l’agent pathogène le plus nuisible en populiculture. L’hybridation interspécifique

qui est la technique utilisée pour la sélection variétale, à permis de regrouper ces caractères d’intérêts chez les cultivars sélectionnés, mais a également entraîné, par rupture de certaines associations alléliques non ciblées, la perte quasi-totale de la résistance quantitative à M.

larici-populina. Une fois le gène de résistance R7 contourné en 1995, les dégâts infligés aux

plantations de peupliers par les populations pathogènes de M. larici-populina ont donc été très importants, les cultivars ne disposant plus des moyens nécessaires pour se défendre contre l’agresseur une fois l’infection établie.

Plus récemment, les efforts de recherche se tournent vers les mécanismes dits de résistance partielle (ou quantitative), qui présentent un déterminisme polygénique. Ce type de résistance variétale limite l’impact des bio-agresseurs sur les cultures, en diminuant la sévérité des symptômes et en ralentissant la progression des épidémies (Shaner et al. 1978). Les résistances partielles, du fait de leur base génétique souvent plus complexe, et du fait qu’elles pourraient exercer une pression de sélection moins forte sur les populations pathogènes, sont souvent présumées plus durables que les résistances complètes (Kolmer 1996). Elles suscitent par conséquent un intérêt croissant pour les sélectionneurs. Cependant, les connaissances sur la durabilité effective de ce type de résistance restent très limitées (Mundt 2002). L’efficacité et la durabilité des résistances partielles dépendent respectivement des caractéristiques et de l’évolution de l’agressivité au sein des populations pathogènes (McDonald et Linde 2002). L’agressivité est un caractère complexe comprenant plusieurs composantes, qui peuvent ou non être corrélées entre elles et qui sont soumises à des forces évolutives différentes. Son évolution est donc complexe à appréhender et nos connaissances actuelles ne nous permettent pas de prédire comment l’agressivité des populations pathogènes évolue en réponse aux pressions de sélection exercées par les résistances partielles et donc quelle peut être la

La durabilité des résistances variétales étant un enjeu majeur pour l’utilisation des variétés en agriculture, il est important d’augmenter nos connaissances sur les capacités d’adaptations des populations pathogènes aux résistances partielles et sur les modalités de ces éventuelles adaptations. De nombreux travaux de génétique des populations (McDonald et Linde 2002, Lindhout 2002, Stuthman 2002) et de génomique évolutive (Xu et al. 2006, Barry et al. 2007, Choquer et al. 2007, Gout et al. 2007, Polakova et al. 2009) sont menés dans cet objectif, mais la modélisation mathématique reste comparativement, peu utilisée, alors qu’elle a prouvé son utilité dans de nombreux autres domaines de la biologie évolutive. Dans ce contexte, il nous a paru nécessaire de se rapprocher du champ de recherche sur l’évolution de la virulence en épidémiologie animale et humaine, qui présente une grande richesse en travaux de modélisation mathématique. Afin d’étudier l’évolution de l’agressivité des champignons phytopathogènes à l’aide de la modélisation mathématique, nous avons donc souhaité faire le parallèle avec les recherches sur l’évolution de la virulence des pathogènes animaux pour tirer parti de ses nombreux apports théoriques.

1.2 Liens entre l’agressivité des champignons phytopathogènes

et la virulence des pathogènes producteurs de spores

1.2.1 Agressivité et virulence

Depuis les débuts de la pathologie, différentes communautés scientifiques se sont intéressées indépendamment à l’étude des interactions hôte-parasite, ce qui a conduit à une utilisation non consensuelle des termes employés pour définir des concepts similaires.

En phytopathologie, le pouvoir pathogène se décline traditionnellement en une composante qualitative, la capacité d’un agent pathogène à infecter un hôte donné et à causer une maladie et une composante quantitative, le degré de dommages infligés à l’hôte par l’infection pathogène (Van der Plank 1968). Pour la majorité des phytopathologistes européens, la composante qualitative est appelée virulence et repose sur l’interaction gène pour gène (Flor 1971). La composante quantitative est quand à elle nommée agressivité (Van der Plank 1968).

Figure 4. Saponaria ocymoides infectée par Microbotryum. Photo : Michael Hood.

Les étamines de cette saponaire sont noires car chargées de spores de Microbotryum. Cette stratégie de vie du pathogène lui permet d’être transmis par l’intermédiaire des pollinisateurs.

évolutionnistes, des écologistes, des épidémiologistes animaux et des phytopathologistes nord-américains

(http://www.apsnet.org/education/IllustratedGlossary/default.htm). La composante qualitative du pouvoir pathogène est quand à elle classiquement nommée infectiosité en écologie évolutive et pathogénicité (« pathogenicity ») par les phytopathologistes nord-américains.

Au cours de mon travail de thèse, les questions qui ont été posées autour de l’interaction hôte-pathogène et les réflexions qui ont suivi pour essayer de répondre à ces questions, s’inscrivent principalement dans le contexte de la biologie évolutive. C’est pourquoi le terme virulence a été choisi pour décrire la composante quantitative du pouvoir pathogène tout au long de ce manuscrit.

1.2.2 Des champignons phytopathogènes aux pathogènes

producteurs de spores

Il existe une grande diversité des cycles de vie (Agrios, 2005) au sein du groupe communément appelé champignons phytopathogènes (eumycètes et oomycètes). Tous les groupes taxinomiques de champignons comprennent des espèces pathogènes de plantes. A cette diversité phylogénétique s’ajoute une forte diversité fonctionnelle.

On rencontre de nombreuses stratégies de reproduction très différentes avec production de spores sexuées et/ou asexuées, avec possibilité d’autogamie lors de la reproduction sexuée ou nécessité d’allogamie entre types sexuels compatibles (respectivement homothallie et hétérothallie). Un ou plusieurs hôtes peuvent être impliqués dans le cycle de vie du pathogène. Le spectre d’hôte peut également être très variable, allant de pathogènes très spécialisés, à des pathogènes généralistes capables d’infecter une large gamme d’hôtes comme Botrytis cinerea, qui ne compte pas moins de 200 espèces hôtes connues (Choquer et

al. 2007). Enfin, il existe une grande diversité de stratégies d’exploitation des hôtes. Certains

pathogènes sont systémiques, comme Leptosphaeria maculans, responsable du phoma du colza (West et al. 2001), alors que d’autres n’infectent que les parties aériennes (comme les espèces étudiées dans mes laboratoires d’accueil, cf. ci-dessous) ou les racines. D’autres, plus rares, comme le charbon des anthères des silènes (Microbotryum violaceum), stérilisent leurs hôtes en transformant leurs organes reproducteurs (étamines) en machinerie de production de spores (Figure 4).

Encadré 2 Stratégies d’exploitation des champignons pathogènes :

Nécrotrophe : tue les cellules végétales grâce à la production de toxines et d’enzymes

lytiques avant d’exploiter les ressources des tissus morts en quasi-saprophyte.

Biotrophe : extrait ses ressources de cellules végétales vivantes uniquement, par

l’intermédiaire de cellules spécialisées, les haustoria.

Hémibiotrophe : présente typiquement une courte phase d’exploitation biotrophe suivi

d’une phase d’exploitation nécrotrophe. Les stratégies d’exploitation des pathogènes rattachés à cette classe sont relativement variables et ne sont pas toujours bien connues. Les causes évolutives de l’utilisation de ce type de stratégie mixte soulèvent également de nombreuses questions.

L’appartenance de différentes espèces à l’une de ces trois catégories n’est pas toujours consensuelle.

Les principales maladies des plantes étudiées par mes équipes d’accueil sont la rouille du peuplier (causée par Melamspora larici-populina), la maladie des raies noires du bananier (causée par Mycosphaerella fijiensis) et la pyriculariose du riz (causée par Magnaporthe

oryzae), des maladies causées par des champignons phytopathogènes foliaires. M. larici-populina est un basiodomycète biotrophe (Encadré 2) qui cause des épidémies par

reproduction asexuée et est capable de pratiquer une reproduction sexuée sur son hôte alternatif (le mélèze). M. fijiensis est un ascomycète hémibiotrophe (Encadré 2), qui peut réaliser les reproductions sexuées et asexuées sur un même hôte et peut infecter toutes les variétés de bananes cultivées (plantain et dessert). M. oryzae est également un ascomycète hémibiotrophe mais dont la reproduction est strictement asexuée hors de son aire d’origine. Il est un pathogène important du riz et est aussi capable d’infecter d’autres céréales cultivées et plantes sauvages apparentées.

Dans la littérature théorique, on rencontre de nombreuses approches différentes pour étudier l’évolution de la virulence. Certains auteurs choisissent des approches relativement généralistes, en appuyant leurs réflexions théoriques sur des hypothèses, qui sont applicables à de nombreux pathosystèmes (par exemple Anderson et May 1979). D’autres au contraire, choisissent des approches spécifiques, en se focalisant sur un pathosystème donné et en essayant de comprendre au mieux ses particularités, en intégrant des informations précises de sa biologie dans les réflexions théoriques (par exemple Bull 1994). Il existe d’ailleurs des débats autour de l’utilisation de ces différentes approches et de leur utilité pour les programmes de gestion de l’évolution de la virulence des maladies infectieuses (Ebert et Bull 2003, Galvani 2003, Gandon et Day 2003). Le niveau de précision nécessaire dans un modèle peut être très variable en fonction des besoins que l’on a et des objectifs qu’on souhaite atteindre.

Ce travail a pour objectif d’améliorer notre compréhension générale des processus évolutifs qui modèlent la virulence des champignons phytopathogènes, définie comme la composante quantitative du pouvoir pathogène. Dans la poursuite de cet objectif, nous avons souhaité travailler avec des modèles mathématiques qui présentent un niveau de détail suffisant pour prendre en compte certaines caractéristiques propres aux champignons phytopathogènes, tout en gardant une assez grande généricité pour apporter une compréhension qui ne soit pas limitée à un unique pathosystème. Au fil des réflexions que nous avons menées pour construire des modèles qui décrivent de façon simple le

théorique que nous souhaitions développer était également adapté à de nombreux pathogènes producteurs de spores autres que les seuls champignons. Dans un but de généricité, nous parlerons donc dans la suite de ce manuscrit de pathogènes producteurs de spores quand la généralisation est possible.

1.3 Evolution de la virulence

1.3.1 Petit historique des recherches sur l’évolution de la virulence

L’étude de l’évolution de la virulence est un champ de recherche assez ancien. Les premières réflexions théoriques voient le jour au début du 20ème siècle (par exemple Smith 1904). Elles donnent naissance à l’hypothèse d’avirulence (« avirulence hypothesis »), qui fût largement acceptée et rapidement renommée hypothèse de la sagesse traditionnelle (« conventional wisdom ») par Anderson et May (1982) et Ewald (1983). Cette théorie suppose que les pathogènes devraient évoluer pour devenir toujours plus inoffensifs envers leurs hôtes, car il est sélectivement avantageux pour les pathogènes, que leur hôte soit en bonne santé pour leur assurer une bonne transmission. La virulence devint ainsi clairement considérée comme un trait adaptatif. Tous les pathogènes étaient vus comme susceptibles de devenir avirulents. Le parasitisme était donc considéré comme un état évolutif transitoire devant conduire vers le commensalisme et même le mutualisme. Suivant cette théorie, les forts niveaux de virulence seraient le résultat d’interactions récentes sur l’échelle de l’évolution alors que des interactions plus anciennes devraient présenter des niveaux de virulence plus faibles.

Suite aux développements de l’écologie évolutive dans les années 60 et 70 (emmenés notamment par W. D. Hamilton, J. Maynard Smith et G. C. Williams), qui apportèrent de nouvelles perspectives de recherche, les années 80 ont vu apparaître un grand nombre de théories alternatives à l’hypothèse d’avirulence (Alizon et al. 2009). Anderson et May (1982) et Ewald (1983) développèrent la théorie du compromis entre la virulence et la transmission, communément appelée hypothèse du compromis (« trade-off hypothesis »). Cette théorie est basée sur l’idée que la virulence est une conséquence obligatoire de l’exploitation de l’hôte par le pathogène et que le taux de transmission du parasite est fonction du niveau d’exploitation de l’hôte. Plus le pathogène exploite son hôte, plus il peut se multiplier et donc

s’y accumule, plus il réduit l’espérance de vie de ce dernier. Les bénéfices pour la transmission du pathogène, d’une augmentation de l’exploitation de l’hôte sont donc contrebalancés par les coûts sur l’espérance de vie de son hôte. Elle prédit ainsi, qu’évoluer vers des taux de transmission plus élevés implique d’évoluer vers des niveaux de virulence plus élevés ce qui engendre des coûts pour le parasite en termes de durée de vie de l’hôte et donc en termes de durée d’infection. En conséquence, elle stipule qu’il existe un compromis évolutif entre la virulence et la transmission et que les interactions hôte-parasite devraient évoluer pour atteindre des niveaux de virulence maximisant la transmission du parasite intégrée sur toute la durée de l’infection (Figure 5).

Figure 5. Courbe du compromis évolutif entre la virulence et la transmission.

d représente le taux de mortalité intrinsèque de l’hôte et représente la virulence, définie comme le taux de mortalité additionnelle due à l’infection par le pathogène. La courbe en gras représente l’effet du niveau de virulence sur la transmission du pathogène. Le niveau de virulence optimal * est la valeur de la virulence pour laquelle la tangente à la courbe de compromis passe par l’abscisse - d. Dans cet exemple, on s’attend à ce que les pathogènes évoluent vers des niveaux de virulence intermédiaires.

1.3.2 La théorie du compromis et ses multiples développements

Depuis son apparition, l’hypothèse du compromis a fortement stimulé la recherche, tant théorique qu’expérimentale, sur l’évolution de la virulence.

La majorité des travaux théoriques sont basés sur des modèles épidémiologiques qui décrivent les aspects de la dynamique écologique de l’interaction entre l’hôte et le pathogène (Day 2001). Ils étudient la dynamique de propagation de la maladie à l’échelle de la

ont été largement utilisés pour étudier l’évolution de la virulence, de la transmission et de la guérison, notamment dans le cas d’infections multiples (Gandon et al. 2002a, Alizon et van Baalen 2008) et dans le cas où la population hôte est hétérogène (Gandon 2004). Une prédiction classique des modèles d’infection multiple est que la compétition intra-hôte entre les différentes souches pathogènes favorise de plus forts niveaux de virulence par rapport au cas d’une infection par une seule souche, car la compétition intra-hôte favorise la souche qui se multiplie le plus et le plus rapidement dans l’hôte, donc celle qui est la plus virulente. Les études théoriques suggèrent que le niveau de virulence optimale varie également en fonction de la durée de vie des hôtes, du taux de rémission de l’infection (« clearance ») par le système immunitaire de l’hôte (Antia et al. 1994, André et al. 2003, Alizon 2008) ainsi que d’autres facteurs (Bull 1994, Lenski et May 1994).

L’évolution de la virulence a par ailleurs été appréhendée avec des points de vue très différents, comme l’approche centrée sur la dynamique intra-hôte (André et al. 2003, André et Godelle 2006), l’approche par modèles emboîtés qui relie la dynamique intra-hôte à la dynamique épidémiologique (Gilchrist et Sasaki 2002, Alizon et al. 2005, Mideo et al. 2008) ou encore l’épidémiologie évolutive qui relie les échelles épidémiologique et évolutive (Galvany 2003, Day et Gandon 2007). Il existe aussi des approches centrées sur l’histoire de vie des hôtes (Gandon et Michalakis 2000, Gandon et al. 2001), sur l’histoire de vie des pathogènes (Bull 2004, Caraco et Wang 2008) ou encore sur la coévolution entre hôtes et pathogènes (Restif et Koella 2003). La virulence est cependant quasiment systématiquement définie dans les études théoriques comme une augmentation du taux de mortalité ou une diminution de la valeur sélective de l’hôte. Or une maladie peut entraîner de nombreux effets négatifs sur l’hôte autres que l’augmentation de son taux de mortalité ou la diminution de sa valeur sélective (Day 2002a).

Certain des effets négatifs du parasitisme sur l’hôte peuvent ne pas diminuer, voir même favoriser la transmission du pathogène (par exemple les comportements de toux ou encore la manipulation du comportement de l’hôte, Thomas et al. 2005) Ainsi, il serait important de bien discriminer les effets qui altèrent la valeur sélective de l’hôte de ceux qui altèrent la valeur sélective du pathogène. Cette distinction est au cœur de plusieurs tentatives pour clarifier la définition de virulence (Shaner et al. 1992, Andrivon 1993, Poulin et Combes 1999, Sabelis et Metz 2002a). Les progrès en épidémiologie évolutive dépendent donc de manière cruciale de l’amélioration de notre compréhension des processus qui se déroulent à

théoriques prédisent par exemple que la forme du compromis entre la virulence et la transmission (linéaire, convexe ou concave), qui détermine vers quels niveaux de virulence devrait conduire l’évolution, peut être directement liée à la dynamique intra-hôte (Mideo et al. 2008).

Le compromis entre la virulence et la transmission joue une rôle dans l’évolution de la virulence (Messenger et al. 1999, Jensen et al. 2006, De Roode et al. 2008a) et est important à prendre en compte. Cependant, la virulence peut évoluer en relation avec de nombreux autres traits d’histoire de vie relatifs à la valeur sélective du parasite (Stearns et Koella 2008) et d’autres compromis entre traits sont également susceptibles d’avoir des rôles importants et méritent tout autant d’attention que le compromis entre la virulence et la transmission. Il est donc nécessaire de développer des études théoriques sur d’autres aspects des effets négatifs du parasitisme sur l’hôte. Ceci nécessite de répondre à des questions plus nombreuses et plus précises que la seule évolution de la virulence en terme de baisse de valeur sélective ou d’augmentation du taux de mortalité de l’hôte. Pour cela, il serait important d’augmenter notre compréhension des mécanismes de l’interaction entre l’hôte et le pathogène en portant une attention particulière aux stratégies de vie des pathogènes et notamment à leurs traits d’histoire de vie relatifs aux effets négatifs du parasitisme.

“To put virulence management in a more positive light, we suggest that the current paradigm is an unnecessarily narrow view of virulence, a view that might hinder progress in this exciting Þeld by channelling research along

one narrow track. We believe that there are more promising avenues to explore. First, we think that any programme of virulence management must understand how virulence relates to parasite Þtness, and cannot

assume that virulence follows a naive trade-off model. » (Ebert et Bull 2003)

1.3.3 Evolution de l’histoire de vie des pathogènes

La théorie de l’histoire de vie s’intéresse à l’investissement des ressources et du temps aux fonctions biologiques et aux évènements majeurs du cycle de vie d’un organisme, comme par exemple la croissance, la survie, l’âge de première reproduction et la durée de la période de reproduction (Roff 1992, Stearns 1992).

Un certain nombre d’études théoriques sur l’évolution de la virulence ont été conduites en prenant en compte l’histoire de vie des hôtes (par exemple Gandon et Michalakis 2000, Gandon et al. 2001, Gandon et al. 2002b). Par contraste, très peu d’études ont focalisé leur attention sur l’histoire de vie des pathogènes. On sait pourtant que les pathogènes forment un

groupe hétérogène qui présente une remarquable diversité d’histoires de vie (diversité des modes de transmission, des mécanismes de survie hors de l’hôte, des capacités de dispersion, etc.) et que ces différences marquées affectent les dynamiques intra-hôte, et à travers elles, les dynamiques épidémiologiques et évolutives. Etudier l’évolution de la virulence avec des approches centrées sur l’histoire de vie des pathogènes est donc important pour améliorer notre compréhension du potentiel évolutif des maladies infectieuses et des mécanismes qui dirigent leur évolution (Barrett et al. 2008).

Un pathogène est d’abord un organisme vivant avec une histoire de vie qui lui est propre et qui ne se résume pas uniquement à sa virulence. Prenons l’exemple du cycle de vie de

Mycospherella fijiensis, champignon pathogène foliaire du bananier. Suite à la germination

d’une spore sur une jeune feuille de bananier, M. fijiensis développe un mycélium épiphylle. Ce mycélium peut rencontrer un ou plusieurs stomate(s) avant de coloniser l’un d’eux et de débuter l’infection (efficacité d’infection). Commence alors une phase de latence. Les symptômes sont d’abord invisibles (durée d’incubation). Le mycélium se développe ensuite dans la plante (taux de croissance), détruisant les cellules végétales pour s’en nourrir et générant ainsi une lésion visible. Au terme de cette phase de latence (environ 2-3 semaines), le champignon produit des conidiophores chargés de spores asexuées, qui vont pouvoir infecter les feuilles de bananier les plus proches (taille et nombre de conidies, kernel de

dispersion). La lésion croit de plus en plus et éventuellement finit par coalescer avec une

lésion voisine. Si celle-ci est causée par un individu compatible (hétérothallisme), il y a reproduction sexuée environ 1 mois après l’infection (latence de la phase sexuée), production de périthèces (taille, et nombre) chargés d’ascopores, spores sexuées qui vont assurer une dispersion à plus longue distance (taille et nombre d’ascospores, kernel de dispersion). Sur ce pathosystème, la virulence (composante quantitative du pouvoir pathogène) est estimée expérimentalement à travers des mesures telles que les temps d’incubation et de latence, le taux de croissance des lésions et la quantité de spores asexuées produites. Ces traits d’histoire de vie sont couramment mesurés chez les champignons phytopathogènes. Ils sont pour la plupart, variables au sein des populations et une héritabilité positive a été mesurée pour plusieurs d’entre eux (Pariaud et al. 2009). Ces traits sont donc susceptibles de répondre à la sélection mais ils sont très peu étudiés théoriquement par modélisation.

Etudier les stratégies de vie des pathogènes par modélisation à travers des traits traditionnellement mesurés par les expérimentateurs pourrait faciliter les applications

aujourd’hui de nombreuses difficultés (Day 2002a, Ebert et Bull 2003). La virulence telle qu’elle est définie dans la plupart des études théoriques, est en effet souvent difficilement accessible par l’expérience. De ce fait, il n’est pas rare de rencontrer dans la littérature empirique, de nombreuses mesures différentes de traits, utilisés comme proxys de la virulence (quelques exemples pris chez les champignons phytopathogènes : diminution de la surface foliaire photosynthétique (Doumayrou et al. in prep), diminution du poids total des graines produites pendant une saison (Salvaudon et al. 2007), des indices composites prenant en compte plusieurs trais du pathogène (Montarry et al. 2008)). Ces proxys sont classiquement choisis par rapport à la biologie du pathosystème étudié, au niveau de connaissances que l’on en a, aux techniques exploitables pour son étude ainsi qu’à leur coût (à la fois en terme de temps et d’argent). Ils peuvent cependant être soumis à des contraintes évolutives différentes de celles qui s’appliquent sur la virulence telle qu’elle est définie théoriquement, ce qui peut conduire à trouver des patrons surprenants (Salvaudon et al. 2007) et éventuellement à remettre en cause le bienfondé d’une prédiction théorique sur la base de mauvais arguments. Modéliser des traits de vie des pathogènes plus facilement accessibles par l’expérience, pourrait ainsi rendre le dialogue entre empiristes et théoriciens plus facile et les collaborations plus fructueuses.

1.4 Marier l’expérience à la théorie

“Theoretical statements help us order our thinking. However, with regard to their practical implications, they should be interpreted as no more than hypothesis, as the extent to which the theoretical conditions are fulfilled in

a concrete situation is not fully clear in advance.” (Sabelis et Metz 2002b).

Les études théoriques nous aident à structurer les questions très diverses qu’on peut se poser à propos de l’évolution de la virulence et des maladies infectieuses en général. Elles sont un outil indispensable pour améliorer notre compréhension des processus complexes de l’évolution et aider au développement de nouvelles hypothèses.

On compare souvent de manière métaphorique un modèle mathématique avec une carte géographique. Chacun d’eux est une représentation simplifiée de la réalité, réalisée dans le but d’obtenir une vision globale d’un phénomène complexe. Les modèles mathématiques ayant pour but d’améliorer notre compréhension des systèmes biologiques ne permettent pas de

prendre en compte toute la complexité inhérente à la plupart des phénomènes biologiques. Mais là se trouve l’essence des modèles ‘explicatifs’. En simplifiant les phénomènes observés, en choisissant quels sont les aspects qu’il est important de considérer et quels sont ceux qui peuvent être négligés, et en fournissant des prédictions dont la pertinence peut être évaluée par confrontation avec la réalité biologique, ils nous aident à tester si notre compréhension des processus sous-jacents aux phénomènes complexes observés est bonne (Sabelis et Metz 2002b, Barton et al. 2007, Kokko 2007).

“Taken to the extreme, if the ultimate goal was to include all the details of the forest in the map, our poor hiker would have to carry the whole landscape with her. Even if this was physically possible, the gain from doing so would be zero: if lost in a forest, she would not become any wiser by looking at a too vastly detailed map than by

staring at the original forest. Such maps indeed deserve to be left rotting in the rain. This, of course, is exactly the reason why models are ‘not real’. […] A good and useful model will still appear ‘false’ in the sense that

many aspects of reality are necessarily ignored, and here one must be able to judge if the assumptions nevertheless capture the essence of the biological arguments. […] This is the art of modelling: to know which

aspect of reality one can sacrifice, and which one are crucial to retain.” (Kokko 2007)

Les modèles n’ont donc pas vocation à être utilisés seuls, hors d’un contexte biologique. Ils ne peuvent être considérés comme suffisants pour étudier un processus donné dans son ensemble. C’est le mariage des développements théoriques et empiriques qui permet de réelles avancées de compréhension. La théorie appelle l’empirisme pour une confrontation à la réalité biologique et l’empirisme appelle la théorie pour aider à clarifier des phénomènes qui peuvent sembler, à première vue, incompréhensibles de part leur niveau de complexité. Il est par conséquent important d’essayer d’allier réflexions théoriques et empiriques, même si de nombreuses difficultés peuvent rendre cette démarche contraignante, voir même parfois infructueuse (Day 2002a, Alizon et al. 2009).

We argue that current progress in evolutionary epidemiology hinges crucially on a better empirical insight into the underlying processes (Sabelis et Metz 2002b).

Les modèles d’optimisation en particulier, se prêtent bien à la validation empirique. Lorsque les résultats théoriques et empiriques sont congruents, cela suggère que l’on a bien décrit le processus à l’origine du patron observé et que les hypothèses réalisées lors de la modélisation sont pertinentes. Si au contraire les résultats théoriques et empiriques ne sont pas congruents, cela peut être dû à une mauvaise formulation du modèle, au fait que les

déterminent les patrons observés, à un mauvais choix de la mesure de valeur sélective ou encore au fait que d’autres processus évolutifs peuvent interférer avec la sélection naturelle (Maynard Smith 1978, Barton et al. 2007).

1.5 Projet de thèse

1.5.1 Objectifs et démarche

Les travaux réalisés pendant ma thèse font partie d’un ensemble de projets ayant comme objectif commun d’améliorer notre compréhension des processus qui modèlent l’évolution de la virulence des populations de champignons phytopathogènes (définie comme la composante quantitative du pouvoir pathogène), pour atteindre à terme, les connaissances nécessaires pour développer des stratégies durables de déploiement des résistances variétales quantitatives. La question centrale autour de laquelle se sont articulés mes travaux est : comment modéliser l’évolution de la virulence chez les champignons phytopathogènes ?

Nous avons tout d’abord dû choisir un cadre théorique pour étudier l’évolution de la virulence des champignons phytopathogènes. Pour améliorer notre compréhension de l’interaction hôte-pathogène dans le but de mieux évaluer les capacités d’adaptation des pathogènes, nous avons choisi une approche centrée sur l’histoire de vie des pathogènes. Nous avons pour cela utilisé des modèles mécanistes d’allocation des ressources qui décrivent bien le cycle de vie du pathogène dans son hôte et permettent d’étudier l’évolution de traits d’histoire de vie du pathogène, dont certains relatifs à la virulence (telle que définie par les écologistes et évolutionnistes).

Nous avons ainsi cherché à déterminer, pour les champignons phytopathogènes foliaires et plus largement pour les pathogènes producteurs de spores, les stratégies optimales d’allocation des ressources ponctionnées à l’hôte, entre la croissance intra-hôte et la production de spores. Nous avons voulu comprendre comment variaient ces stratégies optimales en fonction de la nature de l’interaction entre l’hôte et le pathogène (plus ou moins résistante) et en fonction des conditions écologiques.

Choisir une approche centrée sur l’histoire de vie des pathogènes nous a permis d’obtenir des prédictions accessibles par l’expérimentation en laboratoire. Le deuxième grand objectif de ce travail de thèse a donc été de confronter certaines des prédictions théoriques issues de l’étude des modèles à la réalité biologique. Nous avons tout d’abord voulu savoir si les

de spores prédites par les modèles étaient effectivement réalisées dans la nature. Pour répondre à cette question, nous avons mis au point un protocole expérimental adapté aux champignons phytopathogènes foliaires. Nous avons ensuite voulu étudier empiriquement les déterminants évolutifs de la période de latence, un trait d’histoire de vie des pathogènes producteurs de spores dont l’évolution est étudiée dans nos modèles mathématiques et qui a des implications importantes pour les capacités d’adaptation des ces pathogènes. Une analyse comparative des déterminants de la période de latence chez les champignons phytopathogènes à été conduite dans ce but.

1.5.2 Organisation du manuscrit

La première partie de ce manuscrit est consacrée à la présentation des travaux théoriques qui ont été réalisés pendant ma thèse. Nous avons étudié le développement d’un pathogène producteur de spores à l’intérieur de son hôte, en suivant principalement la variation des valeurs de traits d’histoire de vie du pathogène au cours de l’infection et en étudiant les relations qui peuvent exister entre ces traits. Dans une première sous-partie, nous présenterons un modèle adapté à des pathogènes qui ne peuvent exploiter qu’une quantité finie et limitée des ressources de leur hôte, qui est établie au début de l’infection en fonction des caractéristiques de virulence du pathogène et de résistance de l’hôte. Dans une seconde sous-partie, nous présenterons un modèle tout à fait comparable au premier dans sa construction, mais qui s’intéresse à des pathogènes capables d’exploiter les ressources de leur hôte en continu sans jamais les épuiser. Ce deuxième modèle correspond mieux à des pathogènes qui n’induisent pas de fortes réactions de résistances et n’impactent pas ou peu la survie des hôtes. En conclusion de cette partie, les apports théoriques de ces deux modèles seront comparés et discutés en relations avec les hypothèses réalisées pendant les étapes de construction des modèles.

La deuxième partie de ce manuscrit présentera le projet le plus avancé du volet empirique de mes travaux, l’expérience visant à étudier la stratégie d’allocation des ressources entre la croissance intra-hôte et la production de spores, chez un pathogène capable d’exploiter une quantité finie et limitée des ressources de l’hôte (volet expérimental en relation avec le modèle 1). Cette expérience a été menée sur le pathosystème Magnaporthe oryzae – Oryza

sativa, dont la biologie semble bien correspondre aux hypothèses du modèle. Une description

que nous avons mis en place, ainsi que des principaux résultats obtenus. Nous discuterons ensuite de la pertinence de ces résultats, de ce qu’ils nous ont apporté de nouveau dans notre compréhension du pathosystème étudié et de leur congruence avec les résultats théoriques.

J’ai voulu faire apparaître dans ce manuscrit l’intégralité des réflexions empiriques que nous avons développé durant cette thèse, même si pour certains projets les travaux ne sont pas finalisés. Les deux projets empiriques en cours de réalisation seront présentés en annexe à travers les rapports des deux stagiaires qui ont porté ces projets (Céline Morineau et Manuella Noreskal). Le premier a pour but d’étudier la stratégie d’allocation des ressources entre la croissance intra-hôte et la production de spores, chez un pathogène capable d’exploiter un flux continu des ressources de l’hôte sans les épuiser (volet expérimental en relation avec le modèle 2). Cette expérience a été menée sur le pathosystème Melampsora larici-populina –

Populus sp. , dont la biologie semble bien correspondre aux hypothèses du modèle. Le

deuxième projet empirique présenté en annexe porte sur l’analyse comparative des déterminants de la période de latence chez les champignons phytopathogènes.

Pour conclure ce manuscrit, je discuterai de nos principaux résultats théoriques en relation avec nos résultats empiriques et présenterai quelques unes des perspectives envisagées à ce travail.

2. La virulence comme résultat d’une stratégie d’infection

complexe : approche théorique

2.1 Introduction……….20 2.1.1 Les pathogènes producteurs de spores……….………20 2.1.2 Etudes existantes sur la virulence des pathogènes producteurs de spores...…....21 2.1.3 Implications de l’existence des spores pour les compromis dans l’allocation des

ressources………...23 2.1.4 Etudier l’évolution de l’histoire de vie par une approche d’optimisation……....24

2.2 Un modèle pour des pathogènes qui ne peuvent utiliser qu’une quantité finie des

ressources de l’hôte………..…25

Article : Optimal life-history reaction norms of a spore-producing pathogen: a resource allocation model.

2.3 Un modèle pour des pathogènes qui peuvent potentiellement utiliser une quantité

infinie des ressources de l’hôte………69 2.3.1 Introduction………..…69 2.3.2 Formalisation du problème………..……….……70 2.3.3 Retour à la biologie………..71

La virulence comme résultat d’une stratégie d’infection

complexe : approche théorique

2.1 Introduction

2.1.1 Les pathogènes producteurs de spores

Les pathogènes producteurs de spores (« spore-producing pathogens ») sont des pathogènes dont l’histoire de vie inclut une forme de vie libre, généralement appelée spore, qui présente des adaptations anatomiques et physiologiques assurant sa persistance en dehors des tissus de l’hôte. La transmission de ces pathogènes se fait par l’intermédiaire des spores plutôt que par contact direct entre un hôte infectieux et un hôte sain. Ces pathogènes peuvent ainsi persister pendant des épisodes de faible densité en hôtes ou de conditions environnementales non favorables.

Les pathogènes producteurs de spores sont représentés dans de nombreux groupes phylogénétiques et parasitent des espèces végétales aussi bien que des espèces animales. On peut les séparer en deux sous-groupes distincts.

D’une part, les macroparasites (pluricellulaires) qui produisent un grand nombre de spores tout au long de leur développement à l’intérieur de l’hôte. On peut citer nombre d’helminthes pathogènes d’importance médicale ou vétérinaire comme les ténias, l’Echinococcus responsable de l’échinococcose chez l’homme, les ankylostomes ou encore les schistosomes. Les helminthes sont une des principales causes de maladies chez les jeunes enfants et les adultes dans le monde, avec une nette prédominance dans la ceinture inter-tropicale, où les verminoses représentent un problème sanitaire considérable. Ce groupe est également représenté par les champignons pathogènes d’animaux et de l’homme comme les dermatophytes, responsables d’infections cutanées ou comme Aspergillus fumigatus, responsable d’infections broncho-pulmonaires sévères chez l’homme et l’oiseau. Il contient également les champignons phytopathogènes, qui ont pour la plupart d’importantes répercussions socio-économiques au travers de leur impact agronomique (Anderson et al. 2004). On peut citer par exemples les rouilles du blé (Puccinia sp.), la pyriculariose du riz (Magnaporthe oryzae), principale maladie fongique du riz, la pourriture des cabosses du cacaoyer (Phytophthora megakarya), qui provoque 40% de pertes dans les cacaoyères d’Afrique, ou encore la maladie sud-américaine des feuilles de l’hévéa (Microcyclus ulei) qui

a joué un rôle majeur dans l’effondrement de la production de caoutchouc en Amérique du Sud.

D’autre part, les microparasites correspondent plutôt à des formes de multiplication unicellulaires capables de se multiplier dans l’hôte qui vont chacune s’enkyster ou se métamorphoser, pour devenir une forme de transmission résistante dans le milieu extérieur. Ce groupe est représenté par de nombreux protozoaires entomopathogènes comme par exemple Plasmodium sp. responsable du paludisme, Leishmania sp. responsable des leishmanioses ou encore Ophryocystis elektroscirrha pathogène des papillons monarques (Danaus plexippus). Il renferme également un ensemble de bactéries pathogènes (« endospore-forming bacteria »), appartenant aux genres Bacillus, Clostridium et

Sporosarcina, causant de nombreuses maladies nosocomiales grâce à leurs spores résistantes

à de nombreux traitements désinfectants. On peut citer comme exemple Bacillus anthraci, l’agent responsable de la maladie du charbon, Bacillus thuringiensis pathogène d’insectes nuisibles en agriculture et qui est l'agent insecticide le plus utilisé au monde en agriculture biologique ou encore Pasteuria spp. pathogène de crustacés comme Daphnia magna, qui est un pathosystème largement utilisé dans les études empiriques d’évolution de la virulence (par exemple Ben-Ami et al. 2008, Ebert et al. 1996). Les virus du groupe des Baculovirus peuvent être considérés comme appartenant à cette catégorie ! même si les virus sont des pathogènes un peu particuliers dans le sens où ils ont besoin de la machinerie cellulaire de l’hôte pour se multiplier et se transmettre ! car dans une phase tardive de leur transmission, ils se différencient en formes d’occlusions résistantes dans le milieu extérieur (Caraco et Wang 2008).

Les deux modèles présentés dans ce chapitre s’appliquent aux champignons phytopathogènes en particulier, aussi bien que plus généralement à tous les pathogènes producteurs de spores.

2.1.2 Etudes existantes sur la virulence des pathogènes producteurs

de spores

Comme nous l’avons vu précédemment, un grand nombre de pathogènes d’importance écologique ou socio-économique produisent des spores pour assurer leur transmission. En accord avec la théorie du compromis entre la virulence et la transmission (cf. § 1.3.1), il a été

dehors de l’hôte, devraient évoluer vers de forts niveaux de virulence (définie dans ces modèles comme l’augmentation du taux de mortalité de l’hôte dû au parasitisme). En effet, le fort taux de survie du pathogène hors de l’hôte diminuerait le coût d’une forte exploitation de l’hôte car le succès reproducteur du pathogène serait en partie découplé de la survie de son hôte. L’hypothèse que l’augmentation de la longévité des spores sélectionnerait pour une virulence plus élevée a été nommée l’hypothèse de la malédiction du Pharaon (« The curse of Pharaoh hypothesis ») (Bonhoeffer et al. 1996, Gandon 1998), en référence à la mort mystérieuse de Lord Carnarvon qui survint rapidement après sa visite du tombeau de Toutânkhamon (Coreli 1923 cité dans Gandon 1998). Cette mort inexpliquée pourrait s’expliquer par une infection due à une spore de très grande longévité en dormance dans la tombe et issue d’un pathogène hautement virulent. La grande majorité des études théoriques sur l’évolution de la virulence chez les pathogènes producteurs de spores ont porté leur attention sur l’hypothèse de la malédiction du Pharaon (Bonhoeffer et al. 1996, Gandon 1998, Day 2002b, Kamo et Boots 2004, Caraco et Wang 2008). La plupart des modèles étudiés décrivent les processus à l’échelle de la population et trouvent des résultats concordant avec les prédictions de la théorie de la malédiction du pharaon.

Contrairement aux études théoriques, les études expérimentales utilisant les pathogènes producteurs de spores comme modèle biologique sont assez nombreuses et diversifiées. Certaines se sont concentrées sur la recherche du compromis entre la virulence et la transmission (Salvaudon et al. 2005, Jensen et al. 2006, De Roode et al. 2008a) ou entre la virulence et d’autres traits d’histoire de vie du pathogène ou de l’hôte (Davies et al. 2000) ou encore entre la virulence et l’environnement ou la condition de l’hôte (Bedhomme et al. 2004, De Roode et al. 2008b, Seppällä et al. 2008). D’autres études portent sur les conséquences des infections multiples (Lopez-Villavicencio et al. 2007, Ben Ami et al. 2008). D’autres encore ont étudié les interactions génotype spécifiques ou l’héritabilité de certains traits relatifs à la pathogénie en réalisant des expériences d’infections croisées (Carius et al. 2001, Nidelet et Kaltz 2007, Salvaudon et al. 2007) ou des expériences d’évolution expérimentale (Lehmann et Shanner 1997).

Les modèles qui seront présentés dans ce chapitre se placent en marge du contexte théorique existant. Ils tentent de se rapprocher des études empiriques, en considérant les processus à l’échelle intra-hôte et permettent d’étudier les stratégies de vie optimales des parasites en fonction de la spécificité de l’interaction hôte-pathogène et des conditions

les expérimentateurs (ex : densité intra-hôte/charge parasitaire, quantité de spores produites, durée de différents stades de l’infection).

2.1.3 Implications de l’existence des spores pour les compromis

dans l’allocation des ressources

Les organismes vivants acquièrent leurs ressources à partir de leur environnement et les allouent à différentes fonctions telles que leur développement, leur survie et leur reproduction (Roff 1992, Stearns 1992). Le problème auquel doivent faire face la grande majorité des organismes, est que la quantité de ressources dont ils peuvent disposer est limitée. Cette limitation peut être due à la présence de compétiteurs, de perturbations environnementales, de forte prédation, etc. De ce fait, les organismes sont contraints de faire des choix, des compromis, lorsqu’ils allouent leurs ressources à leurs différentes fonctions vitales. L’organisme parfait qui pourrait maximiser à la fois sa croissance, sa survie et sa reproduction, « le démon darwinien », ne peut exister. La sélection naturelle favorise ainsi, les individus qui adoptent des patrons d’allocation des ressources qui maximisent leur valeur sélective sachant ces contraintes (Roff 1992, Stearns 1992).

Chez les pathogènes transmis par contact direct entre hôte infecté et hôte sain, les formes de multiplication intra-hôte sont utilisées pour la transmission. Multiplication et transmission ne sont donc pas antagonistes, sauf en considérant l’impact de la transmission sur la survie de l’hôte. A l’inverse, chez les pathogènes producteurs de spores, les formes de transmission sont distinctes des formes de multiplication intra-hôte. Cette particularité du cycle de vie de ces pathogènes crée une nouvelle contrainte sur le partage des ressources : à chaque instant, chaque unité de ressource extraite de l’hôte peut être allouée à la multiplication intra-hôte ou à la production de spores. Cela implique l’existence d’un compromis dans l’allocation des ressources entre la multiplication intra-hôte et la production de spores.

L’existence de ce compromis pourrait avoir des conséquences sur les pressions de sélection qui font évoluer la virulence. De plus, il est admis que les compromis dans l’allocation des ressources façonnent le développement de l’individu et ont des conséquences sur les stratégies de vie (Roff 1992, Stearns 1992), et donc pour des pathogènes, sur les stratégies d’infection. Ils sont donc importants à prendre en compte pour améliorer notre compréhension de l’interaction entre l’hôte et son pathogène.

Au travers de notre approche théorique, nous avons voulu comprendre comment ce compromis peut influencer l’histoire de vie des pathogènes à spores. Pour cela, nous avons utilisé des modèles d’allocation des ressources qui permettent de décrire de manière dynamique, comment le pathogène choisit à chaque instant, d’allouer ses ressources entre sa croissance intra-hôte et sa production de spores. Nous avons ensuite utilisé une méthode d’optimisation dynamique pour déterminer quelle est la stratégie d’allocation des ressources entre la multiplication intra-hôte et la production de spores qui confère la meilleure valeur sélective à un pathogène producteur de spore.

2.1.4 Etudier l’évolution de l’histoire de vie par une approche

d’optimisation

Les questions que l’on se pose quand on étudie l’évolution de l’histoire de vie peuvent être vues comme des problèmes d’optimisation (Barton et al. 2007) : quelle histoire de vie confèrerait la meilleure valeur sélective à tel organisme ?

Les méthodes d’optimisation supposent que les valeurs des traits d’histoire de vie des organismes varient librement dans des relations contraintes par des compromis simples, ce qui permet de négliger les bases génétiques et moléculaires de l’évolution phénotypique. Elles se basent sur l’idée que différents phénotypes sont associés à différents coûts ou bénéfices sur la valeur sélective et font l’hypothèse que l’évolution est dominée par la sélection naturelle qui maximise la fitness et optimise les fonctions que l’on étudie (Barton et al. 2007). De nombreux caractères des organismes peuvent être vu comme presque optimaux, c'est-à-dire qu’ils maximisent le succès reproducteur ou une composante du succès reproducteur. Cette idée reste cependant relativement simpliste et il existe de nombreuses exceptions, comme par exemple quand l’interaction entre individus (par exemple la compétition) joue un rôle important sur la sélection (Barton et al. 2007), ou plus généralement dans tous les cas où la sélection individuelle dépend de la composition génétique de la population.

Dans nos modèles, nous avons considéré le cas où un pathogène est seul à infecter son hôte et où la sélection est fréquence-indépendante. Comme notre pathogène évolue en milieu isolé, nous supposons que la stratégie optimale peut être atteinte par évolution mais également par plasticité phénotypique.

2.2 Un modèle pour des pathogènes qui ne peuvent utiliser

qu’une quantité finie des ressources de l’hôte

Optimal life-history reaction norms of a

spore-producing pathogen: a resource allocation model

Authors: Audrey Andanson1,2,*, Virginie Ravigné2,*, Frédéric Grognard3, Ludovic Mailleret4, Jean Carlier2, Fabien Halkett1

Affiliations:

1: INRA-Nancy Université, UMR 1136 Interactions Arbres-Microorganismes, F-54280 Champenoux, France

2: CIRAD, UMR BGPI, F-34398 Montpellier, France

3. INRIA, Comore Project-team, F-06902 Sophia Antipolis, France 4. INRA, UR 880, URIH, F-06903 Sophia Antipolis, France

*: these authors contributed equally to the work

Corresponding Author:

Fabien Halkett

INRA-Nancy Université, UMR 1136 Interactions Arbres-Microorganismes, F-54280 Champenoux, France

Phone: 33 (0) 3 80 39 40 55 Email: halkett@nancy.inra.fr

Key words: virulence evolution, disease life history trait, timing, latency, bang-bang strategy.